Климатическое влияние парков: детализированное моделирование на примере Москвы

Всем известно, что объекты зелёной инфраструктуры влияют на температурный режим в городе. Но помимо самого наличия этих объектов, роль в охлаждении играют их конкретные параметры. Так, зелёные насаждения различного размера обладают разной силой охлаждения, также немалое значение играет соотношение зелёной инфраструктуры с городской застройкой. Исследователи показали, как эти параметры работают на примере моделирования Москвы

Автор: Михаил Варенцов

Наблюдаемые изменения климата и ожидаемое дальнейшее повышение температуры в XXI веке усиливают обеспокоенность по поводу возможных эпизодов экстремальной жары и связанных с ней рисков для здоровья населения. В последнем отчете «Intergovernmental Panel of Climate Change¹» подчёркивается, что города являются «горячими точками» глобального потепления, что изменение климата усугубляется локальными городскими температурными аномалиями. Такие аномалии известны как эффект городского острова тепла: температура воздуха в городах, как правило, выше, чем в окружающих природных или сельских ландшафтах.

Причины возникновения острова тепла включают особенности теплофизических свойств искусственных материалов, повышенное поглощение солнечной радиации геометрически сложной городской застройкой и другие факторы². Перепад температуры воздуха между центром крупного города и пригородом может достигать 10 °C и более. В результате, в городах усиливается тепловой стресс, а в экстремальных случаях увеличивается связанная с жарой избыточная смертность населения³. По этим причинам задачи смягчения теплового стресса и острова тепла рассматриваются как важные вопросы для городского планирования в условиях изменения климата.

Охлаждающий эффект парков

Городская зелёная инфраструктура считается одним из ключевых инструментов для смягчения последствий глобального потепления и эффекта городского острова тепла. Охлаждающий эффект различных видов зелёной инфраструктуры неоднократно становился предметом научных исследований по данным метеорологических наблюдений и дистанционного зондирования. Однако слабо изучен вопрос о взаимосвязи охлаждающего эффекта достаточно крупных зелёных зон – парков и лесопарков – от их размера.

Новые ответы на вопрос о влиянии размера зелёных зон на их охлаждающий эффект даёт наше исследование, недавно опубликованное в журнале «Science of the Total Environment», – статья «Does size matter? Modelling the cooling effect of green infrastructures in a megacity during a heat wave» . Ниже приведём основные итоги вышеупомянутого исследования.

Моделирование в мезомасштабе

Инструментом исследования стала региональная мезомасштабная климатическая модель COSMO-CLM – климатическая версия модели COSMO, используемой для задач численного прогноза погоды в ряде стран мира, в том числе в Гидрометцентре России. В отличие от микромасштабных моделей типа ENVI-MET, мезомасштабные модели работают на сетках с шагом первые сотни метров – первые километры и могут применяться на масштабах крупных городских агломераций. Они не могут явно учитывать влияние отдельных элементов городской среды, таких как здания или деревья, на атмосферу, поэтому в них применяются специальные физические параметризации. В нашем случае использовалась параметризация деятельного слоя суши и растительности TERRA и параметризация городской поверхности TERRA_URB. 1.

Для наиболее точного и детального задания пространственного распределения типов земельного покрова и параметров городской застройки использована технология⁴, осуществляющая синтез различных источников данных, включая картографические данные OpenStreetMap, глобальную базу данных о типах земельного покрова WorldCover и карту локальных климатических зон.

Для идентификации объектов зелёной инфраструктуры различного размера использованы данные WorldCover и OpenStreetMap. На основе этих данных выделены обособленные участки зелёной инфраструктуры: скверы, бульвары, фрагменты дворового и уличного озеленения, парки и лесопарки.

Типы зелёных зон

Всего в границах Москвы (без учета территорий Новой Москвы) выделено 18 678 участков зелёной инфраструктуры общей площадью 528 км², занимающих 53 % площади. Далее все участки зелёной инфраструктуры площадью более 1 га суммарной площадью (460 км²) разделены на четыре класса по размеру: маленькие (класс S, 1−18 га), средние (класс M, 18−50 га), большие (L, 50−250 га) и очень большие (XL, более 250 га). Граничные значения между классами подобраны таким образом, чтобы суммарная площадь объектов зелёной инфраструктуры каждого класса примерно совпадала.

С помощью модели COSMO выполнено моделирование метеорологического режима Московского региона в условиях волны жары в июне 2021 г. (18−29 июня) для пяти сценариев: для контрольного сценария с реалистичной конфигурацией застройки и зелёной инфраструктуры (CTRL), и четырёх сценариев noGI_S, noGI_M, noGI_L и noGI_XL, в которых все объекты зелёной инфраструктуры одного из классов заменялись на застроенную территорию. Важно отметить, что в этих сценариях вместо зелёных зон задавалась не полностью запечатанная поверхность, а типичная для данного района города озеленённая городская среда. Чтобы наиболее детально воспроизвести влияние ЗИ на городской климат, моделирование выполнено со сверхвысоким пространственным разрешением: горизонтальный шаг сетки составил 250 м. Столь детальное мезомасштабное моделирование для Москвы выполнено впервые.

Значение размера зелёной зоны для охлаждения воздуха

Охлаждающий эффект зелёных зон каждого из классов оценён как разность между результатами численных экспериментов noGI и CTRL, ∆T = T_noGI-T_CTRL. Рассмотрено несколько метрик охлаждающего эффекта: локальный охлаждающий эффект внутри ячеек модели, заняты объектами зелёной инфраструктуры, ΔT_loc; нелокальный охлаждающий эффект в буферных зонах вокруг объектов ЗИ, ΔT_buf снижение средней в пределах Москвы температуры воздуха ΔT_m (оцениваемое для площади «старой Москвы»).

По результатам моделирования диагностирована положительная зависимость между размером зелёных зон и их охлаждающим эффектом. Снижение средней за период волны жары температуры воздуха в зонах размера XL достигает 3,4 °С, а для категории S не превышает 2 °С. При этом зелёные зоны снижают температуру не только локально, но и за их пределами, особенно с подветренной стороны (на северо-востоке от них, с учётом характерного для рассматриваемого периода юго-западного ветра). Максимальный охлаждающий эффект характерен в ночные часы, т.е. тогда же, когда сильнее всего выражен эффект острова тепла. Эффективность охлаждения на единицу площади для класса XL на 23 % выше, чем для класса S внутри зелёных зон, на 40−90% в буферных зонах вокруг них и на 35 % в среднем по городу. Если рассматривать не категории S, M, L и XL, а отдельные зелёные зоны различной площади, то зависимость между их площадью и охлаждающим эффектом сохраняется и имеет логарифмический характер.

Парадокс застроенных территорий

Обратная закономерность получается для метрик, характеризующих охлаждающий эффект непосредственно для застроенных территорий, где живут и работают люди. В качестве такой метрики использовано изменение средней по городу температуры, взвешенной на площадь застроенной территории или объем зданий, ΔT_u и ΔT_b соответственно. Такие метрики охлаждающего эффекта максимальны для зелёных зон классов S и M и значительно уменьшаются для классов L и XL. Это связано с большей удалённостью более крупных зелёных зон от районов сосредоточения застройки и населения.

Парковый бриз

Для исследования физических механизмов, определяющих более высокую эффективность охлаждения для крупных зелёных зон, детально рассмотрены несколько отдельных парков, включая крупнейшие зелёные зоны столицы – лесопарк «Лосиный Остров» и Битцевский лесопарк. В дополнение к охлаждающему эффекту, рассмотрено их влияние на скорость и направление ветра. Показано, что наиболее крупные лесопарки значительно влияют на ветровой режим, способствуя усилению дивергенции ветра внутри зелёных зон.

Такой эффект известен из литературы как «парковый бриз»⁵. Более холодный воздух в парках имеет большую плотность, что создает градиент двоения и способствует возникновению ветра, направленного из центра парка к периферии. Такой эффект сильнее всего выражен для самых крупных лесопарков Москвы и ослабевает для меньших зелёных зон. Можно предположить, что именно с эффектом «паркового бриза» связана более высокая эффективность охлаждения для крупных зелёных зон.

Важны все элементы

Показано, что крупные городские парки и лесопарки охлаждают воздух наиболее эффективно, при этом зависимость между размером городских зелёных зон и их охлаждающим эффектом имеет логарифмическую форму. Полученные результаты показывают, что размер зелёных зон имеет значение в контексте смягчения теплового стресса в мегаполисе. Ландшафтным архитекторам и градостроителям следует учитывать значимость больших парков при разработке планов развития городов. В то же время, стратегическая ценность крупных зелёных зон в городском развитии не может заменить местную ценность малых и средних парков для климатического комфорта горожан. Крупные лесопарки расположены вдали от районов сосредоточения населения и недоступны для большинства горожан в повседневной жизни. Поэтому при планировании городской зелёной инфраструктуры необходимо поддерживать баланс между зелёными зонами различных размеров. Кроме того, важно учитывать розу ветров в условиях периодов сильной жары и отдавать приоритет зелёным зонам с наветренной стороны от наиболее населённых районов города.

Применение исследования

Полученные результаты позволяют сформулировать некоторые рекомендации относительно планов развития зелёной инфраструктуры Москвы. Показано, что зелёные зоны в Москве распределены крайне неравномерно. Наиболее крупные из них находятся на периферии города, тогда как в его центральной части в дефиците даже зелёные зоны среднего размера. С этой точки зрения важным планировочным решением может стать целенаправленное резервирование для создания крупных зелёных зон освободившихся в результате редевелопмента городских пространств. Например, такие зоны могут быть созданы в ходе редевелопмента промышленных территорий в «ржавом поясе» Москвы, то есть между историческим центром города и жилыми кварталами, застроенными во второй половине XX века.

Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 19-77-300-12.

Ссылки:

1 — IPCC. Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / под ред. Pörtner H.-O., Roberts D.C., Tignor M., Poloczanska E.S., Mintenbeck K., Alegría A., Craig M., Langsdorf S., Löschke S., Möller V., Okem A., Rama B. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2022.

2 — Oke T.R., Mills G., Christen A., Voogt J.A. Urban Climates. Cambridge: Cambridge University Press, 2017. 509 с.

3 — Wong K. V., Paddon A., Jimenez A. Review of World Urban Heat Islands: Many Linked to Increased Mortality // J Energy Resour Technol. 2013. Т. 135. № 2. С. 1–12.

4 — Самсонов Т.Е., Варенцов М.И. Определение параметров городской среды Московского мегаполиса для детализированного численного прогноза погоды в рамках модели COSMO // Метеорология и гидрология. 2020. № 7. С. 112–119.

5 — Eliasson I., Upmanis H. Nocturnal airflow from urban parks-implications for city ventilation // Theor Appl Climatol. 2000. Т. 66. № 1–2. С. 95–107.